在先前的出版物中，我们讨论了总线和协议在工业自动化中如何工作。 这次我们重点关注现代可行的解决方案：让我们看看世界各地的系统中使用了哪些协议。 考虑德国Beckhoff和Siemens公司，奥地利B＆R，美国Rockwell Automation和俄罗斯Fastwel公司的技术。 此外，我们还将研究与特定制造商无关的通用解决方案，例如EtherCAT和CAN。
在文章的结尾，将有一个具有EtherCAT，POWERLINK，PROFINET，EtherNet / IP和ModbusTCP协议特征的比较表。
我们不包括协议PRP，HSR，OPC UA和其他协议，因为 在哈布雷（Habré）上，已经有我们从事工业自动化系统开发的工程师的优秀文章。 例如， “协议”无缝的“冗余PRP和HSR”和“用于Linux的工业交换协议的网关”。 自己建造 。 “
首先，我们定义术语：工业以太网=工业网络，现场总线=现场总线。 俄罗斯工业自动化在现场总线和底层工业网络方面出现混乱。 通常，这些术语会组合成一个单一的模糊概念，即“较低级别”，既称为现场总线又称为较低级别总线，尽管这可能根本不是总线。
为什么这样这种混淆最有可能是由于以下事实：在许多现代控制器中，通常使用背板或物理总线来实现I / O模块的连接。 也就是说，一些总线触点和连接器用于将多个模块组合为一个单元。 但是，这样的节点又可以通过工业网络和现场总线互连。 西方术语有一个明显的区别：网络是网络，总线是总线。 前者用术语工业以太网来表示，后者用现场总线来表示。 本文建议对这些概念分别使用术语“工业网络”和术语“现场总线”。
Beckhoff开发的EtherCAT工业网络标准
EtherCAT协议和工业网络可能是当今自动化系统中最快的数据传输方法之一。 EtherCAT网络已成功用于分布式自动化系统中，其中交互节点之间的距离很长。
EtherCAT协议使用标准的以太网帧来传输其电报，因此可以保持与任何标准以太网设备的兼容性，并且，如果有相应的软件可用，则实际上可以在任何以太网控制器上安排数据的接收和传输。
Beckhoff控制器带有一组I / O模块。 资料来源： www.beckhoff.de协议规范是开放且可访问的，但仅在开发协会-EtherCAT技术小组的框架内。
这是EtherCAT的工作方式（景色令人着迷，就像Zuma Inca游戏一样）：
由于开发人员拒绝使用直接发送到特定设备的电报进行交换的事实，因此实现了该协议中的高交换率（我们可以谈论微秒单位）。 取而代之的是，将一封电报发送到EtherCAT网络，该电报同时发送到所有设备，用于收集和传输信息的每个从属节点（它们通常也称为USO-带有对象的通信设备）会从中即时获取想要发送给它的数据并将其插入在电报中，他准备提供进行交换的数据。 此后，将电报发送到下一个从属节点，在此进行相同的操作。 通过所有ODR之后，电报将返回到主控制器，该主控制器根据从从设备接收的数据来实现控制逻辑，并再次通过电报与从设备节点发出交互信号，以向设备发出控制信号。
EtherCAT网络可以具有任何拓扑，但是实际上，由于使用了全双工模式和两个以太网连接器，它始终是环形的。 因此，电报将始终按顺序发送到总线上的每个设备。
具有多个节点的Ethercat网络的示意图。 资料来源： realpars.com顺便说一下，EtherCAT规范不包含物理层100Base-TX的限制，因此，该协议的实现有可能基于千兆位和光线路。
西门子开放式工业网络和PROFIBUS / NET标准
长期以来，德国人一直关注西门子，其可编程逻辑控制器（PLC）享誉全球。
西门子设备控制下的自动化系统节点之间的数据交换既通过称为PROFIBUS的现场总线实现，也可以在PROFINET工业网络中实现。
PROFIBUS总线使用带有DB-9连接器的特殊两线电缆。 在西门子，它是紫色的，但实际上我们遇到了其他人：）。 要连接多个节点，连接器可以连接两根电缆。 它还有一个用于终端电阻的开关。 必须在网络的终端设备上打开终端电阻，因此据报道这是第一个或最后一个设备，之后它什么也没有，只有黑暗和空虚（所有rs485都以这种方式工作）。 如果打开中间连接器上的电阻，则其后面的部分将断开连接。
带连接器的PROFIBUS电缆。 资料来源： VIPA ControlsAmericaPROFINET网络使用双绞线模拟电缆，通常带有RJ-45连接器，电缆涂成绿色。 如果PROFIBUS拓扑是总线，则PROFINET网络的拓扑可以是任何事物：至少一个环，至少一个星形，至少一棵树，以及至少全部在一起。
带有已连接PROFINET电缆的西门子控制器。 资料来源：w3.siemens.comPROFIBUS总线和PROFINET网络上存在几种通信协议。
对于PROFIBUS：
- PROFIBUS DP-该协议的实现意味着与远程从站进行通信，对于PROFINET，PROFINET IO协议与此协议相对应。
- PROFIBUS PA-本质上是相同的PROFIBUS DP，仅用于数据和电力传输的防爆版本（与其他物理特性类似的PROFIBUS DP）。 对于PROFINET，尚不存在类似于PROFIBUS的防爆协议。
- PROFIBUS FMS-旨在与不能使用PROFIBUS DP的其他制造商的系统交换数据。 PROFINET CBA协议在PROFINET网络中相当于PROFIBUS FMS。
对于PROFINET：
- PROFINET IO；
- PROFINET CBA。
PROFINET IO协议分为几类：
- PROFINET NRT（无实时）-用于对时间参数要求不高的应用。 它使用以太网TCP / IP以及UDP / IP。
- PROFINET RT（实时）-在这里，输入/输出数据交换是使用以太网帧实现的，但是诊断和通信数据仍通过UDP / IP传输。
- PROFINET IRT（同步实时）-该协议是专门为运动控制应用开发的，包括数据传输的同步阶段。
对于PROFINET IRT硬实时协议的实现，分配了两个通信通道用于与远程设备的通信：同步和异步。 具有固定时间交换周期长度的等时通道使用时钟同步并传输时间关键的数据；使用第二级电报进行传输。 同步通道中的传输持续时间不超过1毫秒。
在异步通道中，传输所谓的实时数据，该数据也通过MAC地址进行寻址。 此外，各种诊断和辅助信息已经通过TCP / IP传输。 当然，实时数据，更不用说其他信息，都不能中断同步周期。
每个工业自动化系统都不需要扩展的PROFINET IO功能集，因此，该协议针对特定项目进行了扩展，同时考虑了一致性类别：CC-A，CC-B，CC-CC。 合规性类使您可以选择功能最少的现场设备和中继组件。
资料来源： PROFINET大学课程PROFINET网络中的第二个通信协议PROFINET CBA用于组织来自不同制造商的设备之间的工业通信。 CBA系统中的主要生产单位是称为实体的某个实体。 该组件通常是设备或安装的机械，电气和电子部分以及相应的应用程序软件的组合。 对于每个组件，根据PROFINET标准的要求，选择一个软件模块，其中包含该组件的接口的完整说明。 然后，这些软件模块用于与设备交换数据。
B＆R以太网POWERLINK协议
Powerlink协议是由奥地利公司B＆R在2000年代初期开发的。 这是通过以太网的实时协议的另一种实现。 协议规范可用并免费分发。
当设备之间的所有交互都分为几个阶段时，Powerlink技术使用所谓的混合轮询机制。 在交换的同步阶段中传输特别重要的数据，为此配置了所需的响应时间，其余数据将在异步阶段中尽可能地传输。
B＆R控制器带有一组I / O模块。 资料来源：br-automation.com最初，该协议是在100Base-TX物理层的顶部实现的，但后来开发了千兆位的实现。
Powerlink协议使用交换计划机制。 某个令牌或控制消息被发送到网络，借助该令牌或控制消息，确定当前哪个设备有权交换数据。 任何时候只有一台设备可以访问该交换机。
具有多个节点的以太网POWERLINK网络的示意图。在同步阶段，轮询控制器将请求顺序发送到每个必须从其接收关键数据的节点。
如已经提到的，同步阶段以可调节的循环时间进行。 在交换的异步阶段，使用IP协议栈，控制器从所有获得访问网络传输访问权限的节点请求非关键数据。 同步和异步阶段之间的时间比例可以手动调整。
罗克韦尔自动化以太网/ IP协议
EtherNet / IP是在2000年罗克韦尔自动化积极参与下开发的。 它使用TCP和UDP IP堆栈，并将其扩展以用于工业自动化。 与流行观点相反，该名称的第二部分不是Internet协议，而是工业协议。 UDP IP使用CIP（通用接口协议）通信堆栈，该协议堆栈也用于ControlNet / DeviceNet网络上，并通过TCP / IP实现。
EtherNet / IP规范是公开和免费的。 以太网/ IP网络拓扑可以是任意的，包括环形，星形，树形或总线形。
除了HTTP，FTP，SMTP，EtherNet / IP协议的标准功能外，它还实现了轮询控制器与输入/输出设备之间的时间紧迫数据的传输。 时间要求严格的数据的传输是由TCP数据包提供的，而时间要求严格的循环控制数据的传输则是通过UDP。
对于分布式系统中的时间同步，EtherNet / IP使用CIPsync协议，它是CIP通信协议的扩展。
具有多个节点和Modbus设备的以太网/ IP网络的示意图。 资料来源： www.icpdas.com.tw为了简化EtherNet / IP网络的配置，大多数标准自动化设备都带有预定义的配置文件。
Fastwel FBUS协议实现
他们考虑了很长时间，是否将俄罗斯公司Fastwel纳入其在国内执行的工业协议FBUS的清单中，但随后他们决定撰写几段文字，以更好地了解进口替代的现实。
FBUS有两种物理实现。 其中之一是总线，其中的FBUS协议在RS485标准之上运行。 此外，在工业以太网中还实现了FBUS。
很难将FBUS称为高速协议，响应时间在很大程度上取决于总线上输入/输出模块的数量以及交换参数，通常在0.5到10毫秒之间变化。 一个FBUS从站只能包含64个I / O模块。 对于现场总线，电缆长度不能超过1米，因此，我们不是在谈论分布式系统。 而是这样，但是仅当使用基于TCP / IP的工业FBUS网络时，这意味着轮询时间增加了数倍。 可以使用总线扩展器连接模块，从而可以方便地将模块放置在自动化柜中。
带连接的I / O模块的Fastwel控制器。 资料来源： 俄罗斯控制工程
总计：如何在ACS TP中实际使用所有这些
自然，现代工业数据传输协议的物种多样性比我们在本文中描述的要大得多。 有些与特定的制造商绑定，相反，有些则是通用的。 在开发自动化过程控制系统（APCS）时，工程师会考虑到特定的任务和限制（技术和预算）来选择最佳协议。
如果我们讨论特定交换协议的普遍性，那么我们可以给出一张HMS Networks AB图表，该图表说明了工业网络中各种交换技术的市场份额。
资料来源： HMS Networks AB从图中可以看出，西门子的PRONET和PROFIBUS处于领先地位。
有趣的是，六年前，
PROFINET和以太网/ IP协议占领了60％的市场 。
下表总结了所描述的交换协议。 一些参数（例如性能）用抽象术语表示：高/低。 数值等效项可以在性能分析文章中找到。
所描述的通信协议，现场总线和工业网络的应用非常多样化。 从化学和汽车工业开始，到航空航天技术和电子学结束。 各种设备的实时定位系统和机器人技术都需要高速通信协议。
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